JP3605295B2 - 誘電体磁器組成物及びこれを用いた誘電体共振器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波、ミリ波等の高周波領域において高い比誘電率及び高いQ値を有する高周波用誘電体磁器組成物に関するものであり、例えば、マイクロ波やミリ波などの高周波領域において使用される種々の共振器用材料やMIC用誘電体基板材料、誘電体導波路用材料や積層型セラミックコンデンサ−等に用いることができる誘電体磁器組成物に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、誘電体磁器は、マイクロ波,ミリ波等の高周波領域において、誘電体共振器やMIC用誘電体基板等に広く利用されている。また最近では、ミリ波用導波路に誘電体線路が応用されている。そこに要求されている特性として、
(1)誘電体中では波長が1/√εrに短縮されるので、小型化の要求に対して比誘電率が大きいこと、
(2)高周波での誘電損失が小さい事、すなわち高Q値であること、
(3)共振周波数の温度に対する変化が小さいこと、
以上の3つの特徴が主として挙げられる。
【0003】
従来より、この種の誘電体磁器としては、例えばZrO2 −SnO2 −TiO2 系材料、BaO−TiO2 系材料、(Ba,Sr)(Zr,Ti)O3 系材料及びBa(Zn,Ta)O3 系材料等が知られている。しかしながら、最近では使用する周波数がより高くなる傾向にあるとともに誘電体材料に対してさらに優れた誘電特性、特にQ値の向上が要求されている。
【0004】
ところが、前述した従来の誘電体材料では、高周波、例えば10GHzの使用周波数領域において実用的レベルの高いQ値を有していないのが現状であった。
【0005】
これに対し、最近では高周波領域において高い比誘電率および高いQ値を有する組成物としてBaO、MgOおよびWO3 を含む複合酸化物からなる誘電体磁器組成物や、SrO、MgO、およびWO3 を含む複合酸化物からなる誘電体磁器組成物(特開平5−205524号、特開平6−5117号)が提案され、さらに、この2種類の酸化物を複合させること、即ちBaO、SrO、MgO、WO3 からなる組成物を作製し、さらに、これに対して、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)等を少なくとも1種類以上を所定量含有させることにより、高Q値を有することができ、共振周波数の温度係数(τf )をマイナス側からプラス側に移行できることが提案された。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
この誘電体磁器組成物において、Ba0及びSrOのモル比を変化させることにより共振周波数の温度係数(τf )を自由に制御することができるとともに、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)等の少なくとも1種類以上を所定量含有することで、高い磁器密度を実現し、高Q値を得ることができる。
【0007】
しかしながら、この誘電体磁器組成物は、高周波領域において高いQが得られるものの、Wの価数変化や、Zn等の蒸発などで磁器内部に欠陥が生じ安く、Q値が低下しやすく、また高温中(120℃)でのQ値が、常温(25℃)中でのQ値より大きく低下し、高Q値のメリットを十分享受できないという問題があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題点に対して種々検討を加えた結果、BaO、SrO、MgO、WO3 に対してコバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)等を少なくとも1種以上を含有させた組成物にMnO2 を所定量含有させることにより、Q値を安定させ、高温(120℃)でのQ値低下を小さくすることができることを知見し、本発明に至った。
【0009】
即ち、本発明の高周波用誘電体磁器組成物は、金属元素として少なくともBa、Sr、MgおよびWを含有し、これらの金属元素酸化物のモル比による組成式をx{(1−a)BaO・aSrO}・y{(1−b)MgO・bAO}・zWO3(Aは鉄族金属およびZnのうち少なくとも一種)と表した時、前記a、b、x、yおよびzが、0<a<1、0.01≦b≦0.7、40≦x≦0.55、0.15≦y≦0.30、0.20≦z≦0.30、x+y+z=1の範囲内にある主成分100重量部に対して、MnO2換算で3重量部以下のMnを含有するとともに、高温(120℃)での常温(25℃)に対するQ値の低下を小さくしたものである。
【0010】
また本発明の誘電体磁器組成物は、一般式(Ba1−a Sra ){(Mg1−b Ab )1/2 W1/2 }O3 で表されるペロブスカイト型結晶(0<a<1、0.01≦b≦0.7)を主結晶相とし、Mnの全部または一部を固溶させることが望ましい。
【0011】
ここで、BaOのSrOによる置換量aを0<a<1としたのは、a=0又は1ではBa、Srの固溶体が得られず、共振周波数の温度係数(τf )の制御効果が得られないからである。また、MgOの鉄族金属及びZnによる置換量bを0.01≦b≦0.7としたのは、bが0.01未満では焼成温度の低下や磁器密度の向上の効果が殆ど得られず、0.7より多いときはQ値の低下が著しいからである。このbは、より高い磁器密度かつ高いQ値を得るという点から、0.01≦b≦0.65であることが望ましい。鉄族金属としては、Fe、Ni、Coがあるが、これらの内でもNi、Coが望ましい。
【0012】
さらに、各a、bに対して組成比を上記の範囲に限定したのは、上記範囲外では固溶の効果が不充分であるか、または、焼結性の低下やQ値の低下という問題が生じるからである。
【0013】
即ち、モル比xを0.40≦x≦0.55としたのは、0.40よりも小さい場合や、0.55よりも大きい場合には、Q値が低下するからである。xは、Q値向上という理由から0.49≦x≦0.52が望ましい。
【0014】
また、MgOのモル比を0.15≦y≦0.30としたのは、yが0.15よりも小さい場合にはQ値が低下し、0.30よりも大きい場合にはQ値が低下したり、焼結不良となるからである。MgOのモル比yは、Q値の向上と焼結性という理由から0.20≦y≦0.27であることが望ましい。
【0015】
また、WO3 のモル比を0.20≦z≦0.30としたのは、zが0.20よりも小さい場合には焼結不良となり、0.30よりも大きい場合にはQ値が低下するからである。WO3 のモル比zは、Q値の向上と焼結性という理由から0.22≦z≦0.28が望ましい。
【0016】
また、本発明は、上記主成分100重量部に対して、MnO2 換算で3重量部以下のMnを含有する誘電体磁器組成物を特徴とする。
【0017】
即ち、上記主成分にMnを含有させることによって、εrやτf を変化させずに、Q値を安定させ、さらに、高温でのQ値の低下を小さく抑えることができるのである。また、Mnの含有量をMnO2 換算で3重量部以下としたのは、3重量部を越えるとQ値が極端に小さくなり、τf が+側にシフトするためである。さらに、Mnの含有量は0重量部であってはならず、上述した効果を奏するためには、Mnの含有量をMnO2 換算で0.01重量部以上とすることが望ましい。
【0018】
本発明の誘電体磁器組成物は、例えば以下のようにして作製される。Ba、Sr、Mg、Wの酸化物あるいは焼成により酸化物を生成する炭酸塩、硝酸塩等の金属塩を主原料として準備し、これらを前述の範囲になるように秤量した後、充分に混合する。その後、大気中において900〜1200℃で1〜4時間仮焼処理する。得られた仮焼物に、例えば、CoOのようなコバルト化合物、NiOのようなニッケル化合物、ZnOのような亜鉛化合物の各化合物を所定量となるように秤量し添加して、さらにMnO2 を所定量添加し、混合粉砕する。そして、これをプレス成形やドクターブレード法等の成形方法により所定の形状に成形する。次に成形体を大気中等の酸化性雰囲気中で1300℃〜1450℃で1〜8時間焼成することにより誘電体磁器を得ることができる。
【0019】
本発明においては、不可避不純物としてCl,Ca,Zr等が混入する場合があり、またCl,Ca,Zr等が酸化物換算で0.1重量%程度混入しても特性上問題ない。特に、前記誘電体組成物に対してAlおよびYの各元素の存在は、焼成温度を上昇させる傾向があるため、本発明によれば、これらの金属元素量は、不純物も含め、酸化物換算で全量中5重量%以下となるように制御することが望ましい。
【0020】
また、本発明においては、Q値を高くする為に、一般式(Ba1−a Sra ){(Mg1−b Ab )1/2 W1/2 }O3 で表されるペロブスカイト型結晶(0<a<1、0.01≦b≦0.7)を主結晶とすることが望ましいが、その他に、BaWO4 ,SrWO4 等の結晶が微量存在していても、特性上殆ど問題ない。さらに、Mnは全部又は一部が上記主結晶に固溶していることが好ましい。
【0021】
また、本発明は、上記の誘電体磁器組成物を一対の入出力端子間に配置して誘電体共振器を構成したことを特徴とする。
【0022】
即ち、本発明の誘電体共振器は、例えば、図1にTEモ−ド型共振器を示すように、金属ケ−ス1の両側に入力端子2及び出力端子3を形成し、これらの端子2、3の間に上記したような組成からなる誘電体磁器組成物のセラミックス体4を配置して構成される。このように、TEモ−ド型の誘電体共振器は、入力端子2からマイクロ波が入力され、マイクロ波はセラミックス体4と自由空間との境界の反射によってセラミックス体4内に閉じこめられ、特定の周波数で共振を起こす。この信号が出力端子3と電磁界結合し、出力される。
【0023】
また、図示はしないが、本発明の誘電体磁器組成物は、TEMモ−ドを用いた同軸共振器やストリップ線路共振器、TMモ−ドの誘電体共振器、その他の共振器に適用しても良いことは勿論である。
【0024】
【作用】
本発明の誘電体磁器組成物では、金属元素として少なくともBa、Sr、Mg、及びWを含有し、これらの金属元素酸化物のモル比による組成式を x{(1−a)BaO・aSrO}・y{(1−b)MgO・bAO}・zWO3 (Aは鉄族金属及びZnのうち少なくとも一種)と表した時、これに所定のMnを含有させることで、安定したQ値を示し、高温(120℃)でのQ値の低下を小さくすることができる誘電体磁器組成物が得られる。
【0025】
【実施例】
原料として純度99%以上のBaCO3 、SrCO3 、MgCO3 、CoO(あるいはNiO、あるいはZnO)及び、WO3 の各粉末を用いて、これらを表1〜表2に示す割合に秤量し、これをゴムで内張りしたボールミルにIPAとともに入れ、ZrO2 ボールを用いて8時間湿式混合した。次いで、この混合物を脱溶媒、乾燥した後、大気中において1000℃で2時間仮焼した。当該仮焼物にMnO2 を加え、ボールミルにIPAを入れ、ZrO2 ボールを用いて8時間湿式粉砕した。
【0026】
その後、この粉砕物を乾燥、有機バインダーを添加した後、40番メッシュの網を通して造粒し、得られた粉末を1000kg/cm2 の圧力で直径12mm厚み6mmの寸法の円柱に成形した。更に、この円柱を大気中において1300〜1600℃で2〜6時間の条件で焼成し、磁器を得た。この磁器を研磨して直径8mm、厚み4〜5mmの寸法の試料を得た。
【0027】
得られた試料について、アルキメデス法にて磁器密度を測定した。また周波数約10〜11GHzにおける比誘電率(εr )、Q値を誘電体共振器法にて測定し、Q値については一般式Qf=一定がなりたつとみなして10GHzにおけるQ値に換算した。また25℃から85℃までの各温度におけるTE011モード共振周波数の温度係数(τf)を計算した。さらに、Q値については、120℃でのQ値も測定し、常温(25℃)でのQ値との差を低下率として計算した。
【0028】
それらの結果を表1、2に示す。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】
この表から、本発明の高周波誘電体磁器組成物は、Mnを加えることにより、従来例に比べてQ値が高くかつ安定するとともに、高温(120℃)での常温(25℃)に対するQ値の低下率を小さくできることがわかる。
【0032】
尚、得られた磁器について、X線回折測定を行った結果、本発明の試料では、一般式(Ba1−a Sra ){(Mg1−b Ab )1/2 W1/2 }O3 で表されるペロブスカイト型結晶(0<a<1、0.01≦b≦0.7)を主結晶相とすることを確認した。さらに、Mnが固溶していることは、TEMを使って、粒内にMnが存在することを確認した。また、Mnの一部は、粒界にも存在することを確認した。
【0033】
【発明の効果】
本発明の高周波用誘電体磁器組成物では、BaO、SrO、MgO及びWO3 からなる主成分に鉄族金属および亜鉛を所定量含有することにより、共振周波数の温度係数(τf)の制御を容易に行うことができ、MnO2 を所定量加えることで、高Q値を安定させ、さらに高温(120℃)でのQ値の低下を抑えることができ、10GHzでのQ値を3000以上と高くすることができる。
【0034】
これにより得られた磁器はマイクロ波やミリ波領域において使用される共振器材料、MIC用誘電体基板材料、コンデンサー用材料、誘電体アンテナ用材料、誘電体導波路用材料等に充分適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の誘電体共振器を示す概略図である。
【符号の説明】
1:金属ケ−ス
2:入力端子
3:出力端子
4:共振媒体
Claims (1)
- 金属元素として少なくともBa、Sr、MgおよびWを含有し、これらの金属元素酸化物のモル比による組成式をx{(1−a)BaO・aSrO}・y{(1−b)MgO・bAO}・zWO3(Aは鉄族金属およびZnのうち少なくとも一種)と表した時、前記a、b、x、yおよびzが
0<a<1
0. 01≦b≦0.7
0. 40≦x≦0.55
0. 15≦y≦0.30
0. 20≦z≦0.30
x+y+z=1
の範囲内にある主成分100重量部に対して、MnO2換算で3重量部以下のMnを含有するとともに、高温(120℃)での常温(25℃)に対するQ値の低下を小さくしたことを特徴とする誘電体磁器組成物。
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